[논문]OOK변조된 가시광 데이터전송에서 바이트반전을 이용한 플리커 방지

이준호

doi:10.7471/ikeee.2020.24.2.579

[국내논문] OOK변조된 가시광 데이터전송에서 바이트반전을 이용한 플리커 방지
Flicker Prevention Using Byte-Inversion in OOK Modulated Visible Light Data Transmission 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.24 no.2, 2020년, pp.579 - 585

이준호 (Dept. of Electronics and IT Media Engineering, Seoul National University of Science and Technology)

초록
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본 논문에서는 가시광을 사용하는 데이터 통신에서 광원의 플리커를 방지하기 위하여 On-off keying(OOK) 변조와 바이트반전 전송방식을 사용하였다. 송신부에서는 100 kHz의 구형파 전압을 부반송파로 사용하여 9.6 kbps의 기저대역 non-return-to-zero (NRZ) 입력데이터를 OOK 변조하고, 데이터의 비트열 형태에 관계없이 LED의 평균 광전력이 항상 일정하게 유지되도록 바이트반전 신호를 부가하여 전송하였다. 수신부에서는 대역통과 필터를 사용하여 주변의 120 Hz 잡음광의 간섭을 소거하고 OOK복조기를 사용하여 NRZ 형태의 원 신호를 복구하였다. 이러한 구조는 가시광 램프의 조명을 이용하여 근거리의 무선데이터 네트워크를 구축하는 데에 유용하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we used byte-inversion transmission method to prevent the flicker of lighting source in a visible light data communication link. In the transmitter, the non-return-to-zero (NRZ) signal with 9.6 kbps was on-off keying (OOK) modulated with a 100 kHz square wave carrier and byte-inversion signal was added after each byte to make the average optical power of the light-emitting diode (LED) constant. In the receiver, we used a band-pass filter to eliminate the interference of the 120 Hz noise which was induced from the adjacent light lamps, and an OOK demodulator to recover the original NRZ signal This scheme is useful in constructing wireless data networks using the illumination of visible light lamps.

Keyword

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Unipolar OOK and byte-invert signal. 그림 1. 단극성 OOK변조 및 바이트반전신호
그림 Fig. 2. Configuration of the visible light transmitter. 그림 2. 가시광 송신부의 구성도
그림 Fig. 3. Observed waveforms in the VLC transmitter. (a) NRZ data, (b) OOK modulated waveform and byte-inversion signal. 그림 3. 가시광 송신부의 관측파형 (a) NRZ 데이터, (b) OOK 변조파형 및 바이트반전신호
그림 Fig. 4. Configuration of the VLC receiver. 그림 4. 가시광 수신부의 구성도
그림 Fig. 5. Observed waveforms in the VLC receiver. 그림 5. 가시광 수신부의 관측파형
그림 Fig. 6. Experimental setup for visible light data communication. 그림 6. 가시광 데이터전송을 위한 실험구성도
그림 Fig. 7. Observed waveforms in the VLC transmitter. 그림 7. 가시광 송신부의 관측파형
그림 Fig. 8. Observed waveforms in the VLC receiver. 그림 8. 가시광 수신부의 관측파형
그림 Fig. 9. Characters displayed on a monitor. 그림 9. 모니터에 표시된 문자열

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이와 같이 단극성의 구형파 신호를 반송파로 사용하는 경우에 플리커를 방지할 수 있는 바이트반전 전송방법을 새로이 개발하여 실험하였다. 바이트반전 전송에서는 1바이트의 데이 터가 전송될 때마다 데이터의 비트열과 반대의 극성을 가진 NRZ 비트열을 추가로 전송하여 평균 광전력을 항상 일정하게 만들어주는 방식이다.
본 논문에서는 이와 같은 플리커를 방지하기 위하여 1바이트를 전송할 때마다 OOK 변조된 데이 터에 포함된 빛에너지의 변화를 상쇄하기 위하여 데이터 비트열과 반대의 부호를 가지며, 1/2 비트 (0.5t_B) 시간동안 비트가 지속되는 NRZ 신호를 추가함으로써 LED의 평균 광전력이 항상 일정하게 유지하도록 만들어준다. 이와 같이 전송데이터가 OOK 변조된 후 바이트반전 신호가 부가된 상태로 마이크로프로세서의 출력전압이 발생하면 전류원에서는 이 신호에 비례하는 전류를 LED에 공급하여 신호광을 발생한다.
검출된 신호가 증폭된 후 중심주파수가 100kHz인 대역통과필터(BPF)를 통과하면서 송신부에서 보내온 OOK 변조신호가 검출된다. 여기에서 사용되는 대역통과 필터의 역할은 가시광 송신부나 수신부에 근접한 다른 조명램프로부터 유입되는 120Hz의 잡음광의 전압을 차단함과 동시에, 송신부에서 플리커를 방지하기 위하여 OOK변조파형에 부가하여 전송된 바이트반전신호를 소거하고 100kHz의 반송파로 변조된 OOK 신호만 검출하기 위하여 사용한 것이다. OOK 변조신호가 다이오드와 RC병렬회로로 이루어진 진폭검출기(envelope detector)를 통과한 후판별회로(decision circuit)를 통과하면서 원신호에 해당하는 NRZ 데이터가 복구된다[7].
송신부에서 단극성의 구형파를 사용하여 OOK변 조하면 별도의 발진기와 변조회로가 필요하지 않아 시스템의 구성이 매우 간편해지는 이점이 있다. 그러나 이와 같은 단극성의 OOK 변조방식에서는 데이터의 비트열에 따라 LED의 평균 광전력이 불규칙하게 변동할 수 있으므로, 이러한 상태를 개선하고자 1바이트의 OOK 변조신호가 전송될 때마다, 각 비트의 부호가 반전된 바이트 반전 신호를 추가로 전송함으로써, 데이터의 과정에서 LED의 평균 광전력이 항상 일정하게 유지되도록 만든 점이 본 논문에서 요지에 해당한다.

제안 방법

이와 같이 전송데이터가 OOK 변조된 후 바이트반전 신호가 부가된 상태로 마이크로프로세서의 출력전압이 발생하면 전류원에서는 이 신호에 비례하는 전류를 LED에 공급하여 신호광을 발생한다. 송신부에서 이와 같은 OOK 변조파형과 바이트반전 신호가 정상적으로 생성되는가를 확인하기 위하여, 1개의 문자 “S”를 1ms 간격으로 반복적으로 전송하면서, 송신부에서의 전압을 관측하였다. 그림 3은 송신부에서 오실로스코프를 사용하여 관측한 전압파형을 나타낸다.
이와 같이 단극성의 구형파로 변조된 상태에서는 데이터의 비트에 따라 평균 광전력이 변화하므로, 1바이트의 데이터마다 일정한 평균전력을 유지하도록 데이터의 “high”와 “low”를 반전하여 부가하여 전송한다. 바이트 반전 신호에 포함된 광전력이 OOK 변조된 데이터 신호의 광전력과 같도록 만들어주기 위하여 바이트반전신호의 1비트 시간은 OOK 변조된 비트 시간의 1/2 배가 되도록 정하였다. 송신부의 전류원을 통하여 그림 3(b)의 신호에 비례한 전류가 LED에 공급되고 LED에서는 일정한 상태의 평균 광전력을 유지하였으며, LED의 출력광에는 플리커가 발생하지 않았다.
수신부에서 NRZ 데이터가 복구되는 과정을 실험적으로 확인하기 위하여 주요 부분에서 전압파형을 관찰하였다. 그림 5는 오실로스코프를 사용하여 수신부의 전압을 관측한 파형을 나타낸다.
송신부 주변에는 가시광 데이터 전송과 무관한 조명램프가 설치되어 있어서 수신부의 포토다이오드에는 송신부에서 보낸 신호광 이외에도 인접된 다른 조명램프로부터 방사된 빛에 포함된 120Hz의 잡음광이 유입되는 환경을 유지하였다. 송신부에서는 OOK 변조와 바이 트반전 전송방식을 사용하여 임의의 문자열 “\t VLC-Net \r\n”을 반복하여 전송하면서 송신부와 수신부에서의 파형을 관찰하였다. 가시광 송신부에서 관찰한 파형은 그림 7과 같다.
그림 9에서는 보이는 문자열은 송신부에서 보낸 문자열 중에서 화면상의 위치제어를 위한 “\t”, “\r”, “\n”을 제외하고 나머지 문자열인 “VLC-Net”가 순서대로 잘 표시되고 있어 수신상태가 양호함을 알 수 있다. 이와 같이 단일극성의 구형파를 이용하여 OOK 변조하고, 바이트 반전신호를 부가 전송 함으로써 송신부에서는 플리커가 없는 안정된 조명상태를 이루고, 수신부에서는 인접된 잡음광의 간섭을 차단하는 효과를 실험적으로 확인하였다.
본 논문에서는 가시광을 사용하여 근거리 데이터 통신 링크를 구성하는 경우, 송신부에서 평균 광전력의 변동을 방지하고, 수신부에서 잡음광의 유입에 의한 간섭을 차단하기 위하여 바이트반전 신호를 수반하는 OOK 변조를 실시하였다. 송신부에서 LED출력광을 OOK 변조한 후 바이트반전 신호를 부가하여 전송하면 LED의 평균 광전력이 일정한 상태를 이루게 됨을 수식적으로 증명하고, 실험을 통하여 그 효과를 확인하였다.
송신부에서 LED출력광을 OOK 변조한 후 바이트반전 신호를 부가하여 전송하면 LED의 평균 광전력이 일정한 상태를 이루게 됨을 수식적으로 증명하고, 실험을 통하여 그 효과를 확인하였다. 실험에서는 UART 전송방식의 기본 데이터율에 해당하는 9.6kbps에서 기저대역의 NRZ 데이터를 100kHz의 Unipolar 구형파로 OOK 변조하여 전송하였다.
이와 같은 변조방식을 사용함으로써 송신부에서는 데이터의 전송 유무 또는 비트열의 형태에 관계없이 항상 일정한 평균 광전력이 방사되어 플리커가 없는 안정된 조명상태를 유지하여 가시광 데이터통신과 조명상태가 서로 영향을 주지 않는 안정된 가시광 시스템을 구현하였다. 또한 수신부에서는 OOK 복조기를 통하여 잡음 소거 상태가 양호함을 확인하였다.

대상 데이터

가시광 송신부는 1개의 마이크로프로세서와 전류 구동장치(current driver), 그리고 가시광을 발생하는 LED 램프로 구성된다. 실험에서 사용한 마이크로프로세서는 Atmega8이며, LED를 구동하는 전류원으로는 DW8501 IC를 사용하였다.
가시광 송신부는 1개의 마이크로프로세서와 전류 구동장치(current driver), 그리고 가시광을 발생하는 LED 램프로 구성된다. 실험에서 사용한 마이크로프로세서는 Atmega8이며, LED를 구동하는 전류원으로는 DW8501 IC를 사용하였다. 송신부의 광원으로는 1W의 백색광 LED 9개를 3×3 평면배열 구조로 제작하여 사용하였다.
실험에서 사용한 마이크로프로세서는 Atmega8이며, LED를 구동하는 전류원으로는 DW8501 IC를 사용하였다. 송신부의 광원으로는 1W의 백색광 LED 9개를 3×3 평면배열 구조로 제작하여 사용하였다.
실험에서 사용한 포토다이오드는 S6968 PIN 포토다이오드이고, 증폭기는 OPA228 op-amp를 사용하였으며, 대역통과필터는 5차 Chebyshev 필터를 제작하여 사용하였으며, 중심주파수가 100 kHz이고 대역폭이 약 20kHz이었다. 진폭검출기에서 사용한 다이오드는 1N4148, 저항 R=100Ω, 캐퍼시터 C=0.
실험에서 사용한 포토다이오드는 S6968 PIN 포토다이오드이고, 증폭기는 OPA228 op-amp를 사용하였으며, 대역통과필터는 5차 Chebyshev 필터를 제작하여 사용하였으며, 중심주파수가 100 kHz이고 대역폭이 약 20kHz이었다. 진폭검출기에서 사용한 다이오드는 1N4148, 저항 R=100Ω, 캐퍼시터 C=0.1 μF 을 사용하였다. 판별기회로는 74LS00 NAND gate 2개를 직렬로 연결하여 사용하였다.

성능/효과

이와 같이 LED의 평균 광전력은 비트열에 포함된 “high”비트의 개수 n에 의존하지 않고 일정하게 유지된다. 그 결과, 가시광 데이터통신을 위한 광원의 조명에 플리커가 발생하지 않고 데이터의 전송 유무 혹은 비트열의 형태에 관계없이 항상 안정된 조명상태를 유지할 수 있다. 이와 같은 바이트반전 전송을 수행하기 위한 가시광 송신부와 수신부의 구조 및 관측파형에 대하여 차례로 소개한다.
본 논문에서는 가시광을 사용하여 근거리 데이터 통신 링크를 구성하는 경우, 송신부에서 평균 광전력의 변동을 방지하고, 수신부에서 잡음광의 유입에 의한 간섭을 차단하기 위하여 바이트반전 신호를 수반하는 OOK 변조를 실시하였다. 송신부에서 LED출력광을 OOK 변조한 후 바이트반전 신호를 부가하여 전송하면 LED의 평균 광전력이 일정한 상태를 이루게 됨을 수식적으로 증명하고, 실험을 통하여 그 효과를 확인하였다. 실험에서는 UART 전송방식의 기본 데이터율에 해당하는 9.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가시광 데이터통신이란 무엇인가?	최근에 들어 다양한 센서와 제어기능이 복합된 홈 네트워크 기술이 발전하면서, 실내에서 기존의 무선주파수와 간섭이 없는 안정된 전송방식이 필요해짐에 따라, 실내의 조명광을 근거리 무선통신에 활용할 수 있는 가시광 데이터통신이 꾸준히 발전하고 있다. 가시광 데이터통신은 실내 혹은 실외 에서 조명램프로 사용하고 있는 광원의 출력광을 육안으로 인지할 수 없는 고속으로 변조하여 빛이 도달하는 구간에서 무선으로 데이터를 전송하는 기술이다[1]-[6].
	광원의 플리커를 방지하기 위해 사용한 전송 방식은 무엇인가?	본 논문에서는 가시광을 사용하는 데이터 통신에서 광원의 플리커를 방지하기 위하여 On-off keying(OOK) 변조와 바이트반전 전송방식을 사용하였다. 송신부에서는 100 kHz의 구형파 전압을 부반송파로 사용하여 9.
	On-off keying(OOK) 변조와 바이트반전 전송방식은 어떠한 방식으로 수행되었는가?	본 논문에서는 가시광을 사용하는 데이터 통신에서 광원의 플리커를 방지하기 위하여 On-off keying(OOK) 변조와 바이트반전 전송방식을 사용하였다. 송신부에서는 100 kHz의 구형파 전압을 부반송파로 사용하여 9.6 kbps의 기저대역 non-return-to-zero (NRZ) 입력데이터를 OOK 변조하고, 데이터의 비트열 형태에 관계없이 LED의 평균 광전력이 항상 일정하게 유지되도록 바이트반전 신호를 부가하여 전송하였다. 수신부에서는 대역통과 필터를 사용하여 주변의 120 Hz 잡음광의 간섭을 소거하고 OOK복조기를 사용하여 NRZ 형태의 원 신호를 복구하였다. 이러한 구조는 가시광 램프의 조명을 이용하여 근거리의 무선데이터 네트워크를 구축하는 데에 유용하다.

참고문헌 (7)

T. Komine and M. Nakagawa, "Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights," IEEE Trans. Consum. Electron., vol.50, no.1, pp.100-107, 2004. DOI: 10.1109/TCE.2004.1277847

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S. Rajagopal, R. D. Roberts, S. K. Lim, "IEEE 802.15.7 visible light communication: modulation schemes and dimming support," IEEE Comm. Mag., vol.50, no.3, pp.72-82, 2012. DOI: 10.1109/MCOM.2012.6163585
S. H. Lee, "A passive transponder for visible light identification using a solar cell," IEEE Sens. J., vol.15, no.10, pp.5398-5403, 2015. DOI: 10.5369/JSST.2014.23.4.2384

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Z. Ong, W. Y. Chung, "Long Range VLC Temperature monitoring system using CMOS of mobile device camera," IEEE Sens. J., vol.16, pp.1508-1509, 2016. DOI: 10.1109/JSEN.2015.2506907

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C. Yao, Z. Guo, G. Long, and H. Zhang, "Performance Comparison among ASK, FSK and DPSK in Visible Light Communication," Opt. Photonics J., Vol. 6, no.8B, pp.b150-154, 2016. DOI: 10.4236/opj.2016.68B025

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A. M. Cailean and M. Dimian, "Current Challenges for Visible Light Communications Usage in Vehicle Applications: A Survey," IEEE Commun. Surv. Tutor., Vol.19, no.4, pp.2681-2703, 2017. DOI: 10.1109/COMST.2017.2706940

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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